DE102015226385A1

DE102015226385A1 - Verfahren zur Ermittlung eines Messfehlers und zum Vermessen eines Werkstücks mit einem Koordinatenmessgerät

Info

Publication number: DE102015226385A1
Application number: DE102015226385.1A
Authority: DE
Inventors: Rainer Sagemüller; Tobias Held; Dominik Seitz
Original assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Priority date: 2015-12-21
Filing date: 2015-12-21
Publication date: 2017-06-22

Abstract

Verfahren zur Ermittlung eines Messfehlers bei einem Koordinatenmessgerät (211), das einen beweglichen Messsensor (5) und eine translatorisch ortsfeste Referenzeinrichtung (9; 3, 13; 15) aufweist, wobei das Verfahren aufweist: a) Positionieren (S1) des Messsensors (5) relativ zu der Referenzeinrichtung (9; 3, 13; 15) in einer Messrichtung (M), die einer Messrichtung zum Vermessen eines Werkstücks (4) mit dem Messsensor (5) entspricht, wobei i) der Messsensor in einer Position des Messsensors in einem Koordinatensystem in einem Abstand (A) in Messrichtung (M) zu der Referenzeinrichtung (9) positioniert wird oder ii) der Messsensor (5) derart positioniert wird, dass er die Referenzeinrichtung (9; 3, 13; 15) berührt, b) Ermitteln (S2) des Abstands (A) zwischen dem Messsensor und der Referenzeinrichtung (9), oder Ermitteln der Position des Messsensors (5) wenn der Messsensor die Referenzeinrichtung (9; 3, 13; 15) berührt, c) Wiederholen (S3) der Folge der Schritte a) und b), wobei im Fall von a)–i) die gleiche Position des Messsensors in dem Koordinatensystem hergestellt wird, und i) Ermitteln eines unveränderten Abstands oder einer Änderung des Abstands zwischen Messsensor (5) und Referenzeinrichtung (9), und damit Ermitteln eines Messfehlers in der Messrichtung (M), oder ii) Ermitteln, bei Berührung der Referenzeinrichtung, einer unveränderten oder einer veränderten Position des Messsensors (5) und damit Ermitteln eines Messfehlers in der Messrichtung(M).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung eines Messfehlers bei einem Koordinatenmessgerät, ein Verfahren zum Vermessen eines Werkstücks mit einem Koordinatenmessgerät, sowie eine Drehvorrichtung, eine Anordnung und ein Koordinatenmessgerät, die für die Verfahren einsetzbar sind.
Koordinatenmessgeräte (nachfolgend auch KMG) sind vielfach mit einem Drehtisch ausgestattet. Der Einsatz eines Drehtisches bringt dabei viele Anwendungstechnische Vorteile mit sich. Wird beispielsweise mit einem Drehtisch die Form eines Werkstücks vermessen, kann das Portal des Koordinatenmessgeräts ortsfest bleiben. Dadurch ergeben sich Genauigkeitsvorteile bei der (Form-)Messung, da die Bewegungsfehler des KMG nicht in die Messung eingehen. Häufig sind auch Zugänglichkeitsprobleme ein Grund für den Einsatz eines Drehtisches, z.B. bei innenliegenden Hinterschnitten, die nicht mit einem seitlich auskragenden Taster, der an einem KMG-Portal befestigt ist, angetastet werden können.
Vielfach soll neben der Form eines Werkstücks auch dessen Durchmesser erfasst werden. Dabei besteht folgendes Problem: Die beispielsweise von einem Taster erfassten Werkstückkoordinaten entstehen im KMG-Koordinatensystem. Das Werkstück befindet sich auf dem Drehtisch. Da die dimensionellen Maße eines Werkstücks im Werkstückkoordinatensystem angegeben werden müssen, werden die erfassten Werkstückkoordinaten in das Werkstückkoordinatensystem transformiert. Für die Transformation muss die genaue Position und Orientierung (Pose) der Drehtischachse im KMG-Koordinatensystem bekannt sein. Allerdings ist die Pose der Drehtischachse über die Zeit nicht konstant, da beispielsweise der Nullpunkt des KMG aufgrund von Temperaturschwankungen oder Eigenerwärmung driftet. Dieses Problem wird als Nullpunktsdrift bezeichnet. Eine weitere mögliche Fehlerquelle ist eine Veränderung des Tastervektors, beispielsweise aufgrund von Temperaturschwankungen, einer Veränderung am Tastelement oder einem Tasterwechsel.
Die Nullpunktsdrift eines KMG-Koordinatensystems wird als Drift der Drehachse in dem KMG-Koordinatensystem registriert. Eigentlich driftet nicht die Pose der Drehachse gegenüber einem absolut konstanten Bezugssystem sondern der Ursprung des KMG Koordinatensystems und damit das KMG Koordinatensystem selbst. Aus diesem Grund wird nachfolgend auch der Begriff „der relativen Drift der (Pose der) Dreh(tisch)achse“ verwendet.
Speziell bei der Bestimmung von Durchmessern von Werkstücken auf einem Drehtisch gilt, dass sich jede Drift in Messrichtung (etwa) mit dem doppelten Betrag im Durchmesserergebnis auswirkt. Durchmesser lassen sich aus diesem Grund meist besser durch Scannen mit einem KMG-Portal bestimmen. Nachteilig ist hierbei, dass sich die Messzeit entsprechend verlängert und gegebenenfalls die Messaufgabe aufgrund von Zugänglichkeitsproblemen nicht durchführbar ist.
Zur Bestimmung der Nullpunktsdrift sind verschiedene Verfahren bekannt, die häufig auf dem Prinzip der zyklischen Vermessung eines als fix (ortsfest) angenommenen Punkts beruhen.
Bei üblichen Verfahren zur Bestimmung der Lage einer Drehtischachse wird ein Körper, beispielsweise eine Kugel oder ein Prüfzylinder auf dem Drehtisch befestigt und angetastet, in der Regel in mehreren Drehtischpositionen. Daraus wird die Drehtischachse berechnet. Solche Verfahren, wie die 1-Kugel-Methode, die 2-Kugel-Methode und die Prüfzylindermethode sind in der WO2013164344A1 und dem englischsprachigen Äquivalent US2015052768A1 genannt. Diese Verfahren sind aber in der Regel nur anwendbar, wenn sich kein Werkstück auf dem Drehtisch befindet. Der Nachteil besteht also darin, dass ein Werkstück, dessen Vermessung eventuell noch nicht beendet ist, vom Drehtisch entfernt werden muss, um die Pose der Drehtischachse neu zu bestimmen. Bei der Anordnung von einer Kugel, oder von mehreren Kugeln bei einem Mehrkugelverfahren, oder von einem Zylinder in einem Prüfzylinderverfahren muss also zur Neueinmessung der Pose der Drehachse der Drehteller von einem Werkstück entladen werden und die entsprechenden Prüfelemente müssen aufgebracht werden. Dies ist unerwünscht, mit zusätzlichem Aufwand verbunden und sollte möglichst wenig geschehen.
Ein weiteres Verfahren zur Bestimmmung einer Nullpunktsdrift und Lage einer Drehachse ist beschrieben in DE 102012207336 A1 . Hierbei wird die Nullpunktsdrift über zwei speziell angeordnete Artefakte ermittelt, die zyklisch gemessen werden. Dabei ist jedes Artefakt für den Drift in einer Raumrichtung ausschlaggebend.
Nachteilig an den bekannten Verfahren ist die lange Messzeit oder eine ungenügende Genauigkeit und der hohe Setup-Aufwand bzw. Platzbedarf auf dem Drehteller eines Drehtisches.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung gegenüber dem Stand der Technik ist es, ein einfach durchführbares und genaues Verfahren zur Bestimmung eines Messfehlers, insbesondere aufgrund einer relativen Drift einer Drehtischachse, anzugeben.
Nach eine grundlegenden Idee der Erfindung wird ein Messfehler, insbesondere eine Drift in einem Gerätekoordinatensystem, in einer Richtung ermittelt, die einer Messrichtung entspricht, in welcher ein Werkstück vermessen wird. Insbesondere ist die Messrichtung eine Antastrichtung eines Messsystems eines KMG, insbesondere eine Antastrichtung eines taktilen Messsystems oder eine Messrichtung eines optischen Messsystems, die ebenfalls als Antastrichtung bezeichnet wird, auch wenn ein optisches Verfahren nicht taktil ist. Ein Messsystem ist insbesondere ein Messsensor. Die Erfindung ist sowohl auf taktile als auch auf optische Messsensoren anwendbar.
Die vorliegende Erfindung ist insbesondere anwendbar zur Korrektur von Fehlern bei der Messung eines Durchmessers eines Werkstücks auf einer Drehvorrichtung, insbesondere einem Drehtisch. Beim Messen eines Durchmessers eines Werkstücks kann die Messrichtung des KMG-Messsystems in einem Koordinatensystem des KMG (auch: Gerätekoordinatensystem) unverändert bleiben, während das Werkstück in verschiedene Drehpositionen gedreht wird. Die Erfindung bietet die besondere Vereinfachung, dass ein Messfehler nur in dieser Messrichtung ermittelt werden muss. Der ermittelte Messfehler resultiert insbesondere aus einer Nullpunktsdrift des Ursprungs des Gerätekoordinatensystems. Eine weitere Fehlerursache ist eine Veränderung des Tastervektors. Es ist erfindungsgemäß aber nicht erforderlich, verschiedene Ursachen für Drifts zu unterscheiden. Alle vorhandenen Veränderungen können als Veränderung in dem Tastersystem angesehen werden, unabhängig von der tatsächlichen Ursache. Mit gewonnenen Fehlerinformationen kann der gemessene Durchmesser korrigiert werden. Alternativ kann die Position der Drehtischachse im Gerätekoordinatensystem korrigiert werden oder der Tastervektor korrigiert werden.
Wie eingangs beschrieben, basieren bisherige Verfahren darauf, zur Drift-Korrektur an einem KMG die vorhandenen Drift-Beiträge entweder vollständig (ständige Drehtischachseinmessung) oder zumindest innerhalb einer Ebene zu erfassen. Es hat sich erfindungsgemäß gezeigt, dass es ausreichend ist, wenn man sich auf Drifts am KMG in der gewählten Messrichtung beschränkt. Dadurch kann die Messzeit zur Bestimmung der Nullpunktsdrift erheblich reduziert werden. Weiterhin reduzieren sich der Setup-Aufwand (z.B. Aufbau von Referenzkörpern, wie Kugeln) sowie der Platzbedarf für solche Körper auf dem Drehtisch.
Obwohl die Erfindung besondere Vorteile beim Vermessen von Werkstücken auf einem Drehtisch hat, insbesondere beim Vermessen von Durchmessern, reicht der allgemeine Gedanke der Erfindung darüber hinaus.
Als Lösung der eingangs gestellten Aufgabe gibt die Erfindung insbesondere ein Verfahren zur Ermittlung eines Messfehlers bei einem KMG an, das einen beweglichen Messsensor und eine translatorisch ortsfeste Referenzeinrichtung aufweist, wobei das Verfahren aufweist:

a) Positionieren des Messsensors relativ zu der Referenzeinrichtung in einer Messrichtung, die einer Messrichtung zum Vermessen eines Werkstücks mit dem Messsensor entspricht, wobei i) der Messsensor in einer Position des Messsensors in einem Koordinatensystem, vorzugsweise einem Gerätekoordinatensystem, in einem Abstand in Messrichtung zu der Referenzeinrichtung positioniert wird oder ii) der Messsensor derart positioniert wird, dass er die Referenzeinrichtung berührt,
b) Ermitteln des Abstands zwischen dem Messsensor und Referenzeinrichtung, oder Ermitteln der Position des Messsensors wenn der Messsensor die Referenzeinrichtung berührt,
c) Wiederholen der Folge der Schritte a) und b), wobei im Fall von a)–i) die gleiche Position des Messsensors in dem Koordinatensystem, vorzugsweise dem Gerätekoordinatensystem, hergestellt wird, und i) Ermitteln eines unveränderten Abstands oder einer Änderung des Abstands zwischen Messsensor und Referenzeinrichtung, und damit Ermitteln eines Messfehlers in der Messrichtung, oder ii) Ermitteln, bei Berührung der Referenzeinrichtung, einer unveränderten oder einer veränderten Position des Messsensors und damit Ermitteln eines Messfehlers in der Messrichtung.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist auch der Fall eingeschlossen, dass ein Fehler von Null ermittelt wird, also kein Fehler ermittelt wird. Mögliche Fehlerursachen sind eine bereits erwähnte Nullpunktsdrift und eine Änderung des Tastervektors, wobei diese Ursachen alternativ oder kumulativ auftreten können und auch weitere hier nicht genannte Ursachen hinzutreten können. Die sogenannte Referenzeinrichtung kann eine Einrichtung sein, die auch oder primär anderweitige Funktionen an dem KMG erfüllt, aber alternativ oder zusätzlich dazu in diesem Verfahren als Referenzeinrichtung verwendet wird. Ein Beispiel ist ein nachfolgend noch beschriebener drehbarer Messtisch, auch bezeichnet als Drehteller oder Planscheibe, eines Drehtisches, der an sich zur Drehung eines Werkstücks dient.
Die Referenzeinrichtung ist zumindest translatorisch ortsfest. Zusätzlich kann die Referenzeinrichtung drehfest sein. Es ist aber möglich, dass die Referenzeinrichtung nur translatorisch ortsfest ist und eine Drehbewegung ermöglicht ist, beispielsweise wenn die Referenzeinrichtung in einem speziellen Fall ein Rotor oder ein drehbarer Messtisch einer Drehvorrichtung ist.
Die erwähnte Messrichtung ist insbesondere eine Antastrichtung eines optischen oder taktilen Sensors, wie bereits erwähnt. Bei dem Positionieren des Messsensors relativ zu der Referenzeinrichtung kann der Messsensors in Antastrichtung bewegt werden, bis die erwünschte Positionierung, wie oben bei a) i) oder a) ii) genannt, erreicht ist.
Bei einer bereits genannten Verfahrensvariante a)i) wird der Messsensor in einem Abstand zu der Referenzeinrichtung positioniert. Hierbei wird der Messsensor berührungslos relativ zur der Referenzeinrichtung positioniert. Anschließend wird der Abstand zwischen dem Messsensor und der Referenzeinrichtung ermittelt, beispielsweise mit einem Abstandssensor. Der Abstand kann grundsätzlich zu einem beliebigen Teil oder einer beliebigen Stelle des Messsensors gemessen werden. Beim Ermitteln des Abstands zwischen dem Messsensor und der Referenzeinrichtung in Schritt b) kann bei der Referenzeinrichtung ein Bezugspunkt definiert werden, zu dem der Abstand gemessen wird. Ein solcher Bezugspunkt kann in einem Koordinatensystem der Referenzeinrichtung vorliegen. Bei dem Messsensor kann ein Bezugspunkt des Messsensors definiert sein, zu dem der Abstand gemessen wird. Ist der Messsensor ein optischer Sensor, kann an dem optischen Sensor ein Bezugselement vorhanden sein und der Abstand kann zwischen Bezugselement und Referenzeinrichtung ermittelt werden. Das Bezugselement kann einen bekannten räumlichen Bezug zu einem Referenzpunkt des optischen Sensors aufweisen, beispielsweise einem TCP (Tool Center Point). Ist der Messsensor ein taktiler Sensor, kann beispielsweise ein Abstand zu einem Taster, auch bezeichnet als Taststift, oder einem Tastelement, beispielsweise einer Tastkugel, ermittelt werden.
Für ein Tastelement, bei einem taktilen Sensor, ist jede geometrische Form verwendbar, was einen Vorteil zu bekannten Verfahren der Nullpunktsdriftbestimmung ist. Neben einer Kugel sind, auch anderweitige geometrische Formen als eine Kugel denkbar, beispielsweise zylindrische bzw. scheibenförmige Tastelemente, kegelförmige Tastelemente etc.
In einer alternativen, bereits erwähnten Variante a)ii) des Verfahrens wird der Messsensor so positioniert, dass er die Referenzeinrichtung berührt. Insbesondere wird hierbei eine Position des Messsensors in einem Gerätekoordinatensystem hergestellt. Anschließend wird die Position des Messsensors bei Berührung der Referenzeinrichtung ermittelt, vorzugsweise in einem Gerätekoordinatensystem.
Bei Schritt a)ii) ist es nicht zwingend erforderlich, dass die Berührung am Berührpunkt eines Tastelements erfolgt, wenn der Messsensor ein taktiler Sensor ist. Die Berührung kann auch an anderen Teilen des Messsensors, beispielsweise an einem Tasterschaft, erfolgen.
Wenn gemäß Schritt a)i) der Messsensor in einem Abstand zu der Referenzeinrichtung positioniert wird, wird vorzugsweise eine Position des Messsensors in einem Gerätekoordinatensystem hergestellt, die bei der Wiederholung eines Schrittes a)i) zugrunde gelegt werden kann, wie nachfolgend noch beschrieben.
In Schritt c) des Verfahrens werden die Schritte a) und b) wiederholt, was zu einem beliebigen späteren Zeitpunkt geschehen kann. Eine mehrfache Wiederholung der Folge der Schritte a) und b) zu mehreren späteren Zeitpunkten ist ebenfalls möglich. In einer Variante wird der Schritt a)i) wiederholt, also der Messsensor in einem Abstand zu der Referenzeinrichtung positioniert. Hierbei wird die gleiche Position des Messsensors in einem zuvor zugrunde gelegten Koordinatensystem, insbesondere einem Gerätekoordinatensystem, hergestellt wie in Schritt a)i). Daraufhin wird ein unveränderter Abstand des Messsensors zu der Referenzeinrichtung festgestellt oder eine Änderung des Abstands zwischen Messsensor und Referenzeinrichtung festgestellt. Bei einem unveränderten Abstand ist der mit dem Verfahren ermittelte Messfehler gleich Null und bei einer Änderung des Abstands wird der Messfehler in der gewählten Messrichtung erhalten, der beispielsweise auf einer Nullpunktsdrift oder einer Änderung des Tastervektors beruht.
In der alternativen Variante wird in Schritt c) die Folge der Schritte a)ii) und b) wiederholt, wobei in Schritt b) die Position des Messsensors bei Berührung der Referenzeinrichtung ermittelt wird. In Schritt c)ii) wird dann festgestellt, ob die Position des Messsensors bei Berührung der Referenzeinrichtung verändert ist gegenüber der erstmaligen Durchführung von Schritt b) oder unverändert ist. Bei einer unveränderten Position ist der mit dem Verfahren ermittelte Messfehler gleich Null und bei einer veränderten Position ist ein entsprechend großer Messfehler vorhanden.
Durch mehrfaches Wiederholen der Schrittfolge a) und b) kann der Messfehler über die Zeit und/oder eine Änderung des Messfehlers über die Zeit ermittelt werden. Hierdurch kann insbesondere eine zeitabhängige Nullpunktsdrift erfasst werden. Ein weiterer möglicher Anlass zur Wiederholung der Folge der Schritte a) und b) ist ein zwischenzeitlicher Wechsel des Messsensors. Hiermit können Fehler erfasst werden, die von einer Änderung des Vektors des Messsensors herrühren, insbesondere von einer Änderung eines Vektors eines taktilen Messsystems. Ferner kann es sinnvoll sein, bei einer Temperaturänderung den Schritt c) durchzuführen.
Generell kann das Verfahren mehrfach für verschiedene Messrichtungen durchgeführt werden, d.h. Messfehler in verschiedenen Messrichtungen ermittelt werden. Eine besondere Vereinfachung bietet das Verfahren aber dann, wenn nur eine Messrichtung betrachtet werden soll oder muss bzw. nur der Fehler in einer Messrichtung ermittelt werden soll oder muss, wie beispielsweise bei der später noch beschriebenen Vermessung eines Werkstücks auf einem Drehtisch.
In einer Ausführungsform des Verfahrens zur Fehlerermittlung weist die Referenzeinrichtung zumindest eine Fläche auf, die eine Normale aufweist, die in der Messrichtung orientiert ist. Eine solche Fläche kann in Schritt a)i) vorteilhaft als Referenzfläche zur Abstandsmessung verwendet werden. Wird die Variante a)ii) angewandt, dann ist eine solche Fläche vorteilhaft in Messrichtung antastbar. Durch die Orientierung der Fläche und damit die Orientierung der Flächennormale ist die Messrichtung, auch bezeichnet als sensitive Richtung, festgelegt, was zur Genauigkeitssteigerung beiträgt. Beispielsweise treten bei einem taktilen Messsensor durch die Orientierung der Fläche in Antastrichtung (entsprechend der Messrichtung bei einem taktilen Sensor) ähnliche Tasterbiegeverhältnisse und ähnliche Reibung wie bei einer späteren Messung an einem Werkstück auf. Die Tasterbiegung in sensitiver Richtung kann ein Vorteil sein, da diese bei einer späteren Messung an einem Werkstück ebenfalls auftritt. Entsprechendes gilt für eine auftretende Reibung.
In einer Variante der vorgenannten Ausführungsform weist die Referenzeinrichtung mehrere Flächen auf, deren Normalen in verschiedene Richtungen orientiert sind, sodass mit den Normalen verschiedene Messrichtungen darstellbar sind. Mit einer solchen Referenzeinrichtung ist es besonders einfach, die Messrichtung zu wechseln.
In einer Variante des Verfahrens weist die Referenzeinrichtung einen Abstandssensor auf, mit dem der Abstand zwischen dem Messsensor und der Referenzeinrichtung ermittelt wird. In diesem Fall ist der Abstandssensor ein Teil der Referenzeinrichtung und es wird der Abstand zwischen einem Bezugspunkt des Abstandssensors, beispielsweise in einem Abstandssensorkoordinatensystem, und dem Messsensor, beispielsweise zu einem bestimmten Bezugspunkt des Messsensors, gemessen.
In einer Ausführungsform des Verfahrens weist die Referenzeinrichtung einen Körper aus einem thermisch invarianten Material auf. Die Referenzeinrichtung kann auch gänzlich aus einem solchen Körper aus thermisch invariantem Material gebildet sein. Ein beispielhaftes Material ist eine Metalllegierung mit sehr geringem Wärmeausdehnungskoeffizienten, beispielsweise aus Eisen und Nickel, insbesondere 64 % Eisen und 36 % Nickel, auch bekannt als „Invar“. Mit einer solchen Referenzeinrichtung sind besonders genaue Fehlerermittlungen erhältlich, insbesondere bei schwankenden Temperaturen.
Der durch das Verfahren ermittelte Messfehler kann auf verschiedene Art und Weise verwendet werden. In einer Variante des Verfahrens können einer oder mehrere der folgenden Schritte, in beliebiger Kombination, durchgeführt werden:

– Bewerten des Messfehlers bzw. der Größe des Messfehlers, vorzugsweise in oder durch eine(r) Einrichtung des KMG, insbesondere einer Steuerung oder einem Messrechner. Die Bewertung kann beispielsweise durch eine Software vorgenommen werden.
– Erzeugen einer Warnung, auch bezeichnet als Fehlerwarnung oder Fehlerhinweis, beispielsweise durch eine Software. Hierdurch können das Gerät oder der Benutzer zu weiteren Handlungen veranlasst werden, beispielsweise zum Beheben des Fehlers, zur erneuten Bestimmung der Pose einer Drehachse in einem Gerätekoordinatensystem oder zur Berücksichtigung des Fehlers in einem Messbetrieb, wie nachfolgend aufgeführt.
– Beheben des Fehlers, beispielsweise durch erneutes Bestimmen und/oder Neusetzen des Nullpunkts des Gerätekoordinatensystems.
– Berücksichtigen des Fehlers in einem Messbetrieb des Koordinatenmessgeräts, beispielsweise bei Vermessen eines Werkstücks. Eine spezielle Art der Berücksichtigung ist das Korrigieren eines Messwerts aus dem Vermessen des Werkstücks um den ermittelten Messfehler Hierauf wird unten noch eingegangen.
– Bestimmen oder erneutes Bestimmen der Pose einer Drehachse einer Drehvorrichtung in einem Gerätekoordinatenssystem des Koordinatenmessgeräts.

Es kann bei der Bewertung des Messfehlers der Messfehler mit einem Grenzwert verglichen werden. Bei Erreichen oder Überschreiten des Grenzwertes können einer oder mehrere der erwähnten Schritte durchgeführt werden. Der Grenzwert kann auch Null betragen, sodass bei jeglichem Fehler, insbesondere jeglichem messbaren Fehler, einer oder mehrere der erwähnten Schritte durchgeführt werden.
Der ermittelte Messfehler kann als Qualitätskriterium für die Richtigkeit einer zuvor bestimmten Pose einer Drehtischachse verwendet werden. Es kann eine Warnung ausgegeben werden, beispielsweise durch eine Software, die darauf hinweist, dass eine Drehtischachse neu einzumessen ist, also die Pose im Gerätekoordinatensystem neu zu bestimmen ist. Daraufhin kann ein Bestimmen oder erneutes Bestimmen der Pose der Drehachse erfolgen.
Der Begriff Pose bedeutet Position und Orientierung. In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Vermessen eines Werkstücks mit einem Koordinatenmessgerät, aufweisend

– Ermitteln eines Messfehlers bei einem Koordinatenmessgerät, das einen beweglichen Messsensor und eine translatorisch ortsfeste Referenzeinrichtung aufweist, aufweisend: a) Positionieren des Messsensors relativ zu der Referenzeinrichtung in einer Messrichtung, die einer Messrichtung zum Vermessen eines Werkstücks mit dem Messsensor entspricht, wobei i) der Messsensor in einer Position des Messsensors in einem Koordinatensystem in einem Abstand in Messrichtung zu der Referenzeinrichtung positioniert wird oder ii) der Messsensor derart positioniert wird, dass er die Referenzeinrichtung berührt, b) Ermitteln des Abstands zwischen dem Messsensor und Referenzeinrichtung, oder Ermitteln der Position des Messsensors wenn der Messsensor die Referenzeinrichtung berührt, c) Wiederholen der Folge der Schritte a) und b), einfach oder mehrfach, wobei im Fall von a)–i) die gleiche Position des Messsensors in dem Koordinatensystem hergestellt wird, und i) Ermitteln eines unveränderten Abstands oder einer Änderung des Abstands zwischen Messsensor und Referenzeinrichtung, und damit Ermitteln eines Messfehlers in der Messrichtung, oder ii) Ermitteln, bei Berührung der Referenzeinrichtung, einer unveränderten oder einer veränderten Position des Messsensors und damit Ermitteln eines Messfehlers in der Messrichtung,
– Vermessen eines Werkstücks in der Messrichtung.

Dieses Verfahren ist zusammengesetzt aus einem vorangehend beschriebenen Verfahren zur Ermittlung eines Messfehlers, wobei sämtliche vorangehend beschriebenen Verfahrensvarianten angewandt werden können, und zusätzlich dem Vermessen eines Werkstücks in der Messrichtung, die bei dem Verfahren zur Ermittlung des Messfehlers zugrunde gelegt wurde. Vorteil ist, dass bei dem Vermessen des Werkstücks in der Messrichtung der Fehler in der Messrichtung bekannt ist, da er ebenfalls ermittelt wird.
Bei dem vorangehend genannten Verfahren zum Vermessen des Werkstücks mit einem KMG kann der Schritt des Vermessens des Werkstücks an beliebiger Stelle im Verfahrensablauf integriert sein. Die obige Nennung des Verfahrensschritts des Vermessens des Werkstücks nach dem Verfahrensschritt des Ermittelns eines Messfehlers bedeutet insoweit keine Beschränkung der Abfolge von Verfahrensschritten. Beispielsweise kann das Vermessen des Werkstücks in Messrichtung vor dem Ermitteln des Messfehlers erfolgen. In einer weiteren Variante kann das Vermessen des Werkstücks in die Schrittfolge der Ermittlung des Messfehlers integriert sein. Insbesondere ist es möglich, zunächst die Schritte a) und b) für die Fehlerermittlung durchzuführen, anschließend eine Vermessung des Werkstücks durchzuführen und danach, zu einem beliebigen späteren Zeitpunkt, den Schritt c) zur Ermittlung des Messfehlers durchzuführen. Ebenfalls ist es möglich, das Verfahren um weitere Schritte zu ergänzen, die eine Wiederholung vorangehender Schritte sein können. Beispielsweise kann bei jedem späteren erneuten Vermessen des Werkstücks zuvor der Schritt c) durchgeführt werden, um den aktuellen Messfehler, insbesondere auf der Zeitskala und/oder bei veränderter Temperatur, festzustellen. Spezielle Verfahrensbeispiele sind im Beispielteil dieser Beschreibung angegeben.
In einer Ausführungsform des Verfahrens zum Vermessen des Werkstücks wird der Messwert aus dem Vermessen des Werkstücks um den ermittelten Messfehler korrigiert. Anders ausgedrückt wird der ermittelte Messfehler verwendet, um Messdaten aus dem Vermessen des Werkstücks zu korrigieren. Beispielsweise kann eine rechnerische Korrektur erfolgen, d.h. es können rechnerisch korrigierte Messwerte aus dem Vermessen des Werkstücks erhalten werden.
In einer Ausführungsform des Verfahrens zum Vermessen des Werkstücks ist das Werkstück auf einer Drehvorrichtung positioniert. Insbesondere wird das Werkstück in verschiedenen Drehpositionen der Drehvorrichtung vermessen. Vorzugsweise bleibt die Messrichtung in einem Gerätekoordinatensystem beim Vermessen des Werkstücks unverändert, wenn das Werkstück in verschiedenen Drehpositionen der Drehvorrichtung vermessen wird, also gedreht wird. Möglich ist ein wiederholtes Antasten des Werkstücks in Messrichtung oder ein Scannen des Werkstücks.
In einer weiteren Variante des Verfahrens wird bei dem Vermessen ein Durchmesser des Werkstücks ermittelt. Insbesondere wird der Durchmesser des Werkstücks in verschiedenen Drehpositionen der Drehvorrichtung, also bei Drehung des Werkstücks, ermittelt. Beispielsweise bleibt die Antastrichtung unverändert und mit dem Drehtisch wird das Werkstück gedreht und an einem Taster vorbei bewegt. Es kann das Werkstück in verschiedenen Drehpositionen aus gleicher Antastrichtung angetastet werden oder gescannt werden. Aus so ermittelten Messwerten kann der Durchmesser errechnet werden. Hierzu ist das erfindungsgemäße Verfahren besonders geeignet, da bei einer solchen Bestimmung eines oder mehrere Durchmesser des Werkstücks und bei Rotation des Werkstücks auf einem Drehtisch die Messrichtung, insbesondere die Antastrichtung eines Messsensors, nicht geändert wird und die Kenntnis des Messfehlers in einer bestimmten Messrichtung ausreichend ist. Selbstverständlich ist es natürlich möglich, den Fehler auch in verschiedenen Messrichtungen zu bestimmen, sofern die Messrichtung gewechselt werden soll.
Eine Drehvorrichtung ist insbesondere ein Drehtisch, ein Drehgelenk oder ein Dreh-Schwenk-Gelenk.
In einer speziellen Variante des Verfahrens wird als Referenzeinrichtung ein Rotor oder ein rotierbarer Messtisch der Drehvorrichtung verwendet oder die Referenzeinrichtung ist an einem solchen Rotor oder einem solchen rotierbaren Messtisch angebracht und mit diesem drehbeweglich. Hierbei ist es nicht nötig eine gesonderte Referenzeinrichtung vorzusehen, da der Rotor/Messtisch ohnehin vorhanden ist. Insbesondere ist der rotierbare Messtisch rotationssymmetrisch. Dadurch ist die Messrichtung einfach änderbar, ohne dass ein Umbau oder eine Änderung der Referenzeinrichtung erfolgen müssen. Ein rotierbarer Messtisch der Drehvorrichtung ist beispielsweise ein Teller oder eine Planscheibe. Im Speziellen kann als Referenzeinrichtung ein Seitenrand oder eine Seitenfläche des rotierbaren Messtisches dienen, beispielsweise eine Mantelfläche einer zylindrischen oder scheibenförmigen Planscheibe. Beim Ermitteln eines Durchmessers eines auf dem rotierbaren Messtisch angeordneten Werkstücks ist die Messrichtung vorzugsweise quer zur Drehachse des Drehtisches, insbesondere senkrecht zu der Drehachse. In gleicher Messrichtung bzw. parallel dazu kann ein Positionieren des Messsensors relativ zu einer Seiten- oder Mantelfläche erfolgen, wobei der Messsensor in einem Abstand zu der Seiten- oder Mantelfläche positioniert werden kann oder der Messsensor derart positioniert werden kann, dass er die Seiten- oder Mantelfläche des rotierbaren Messtisches berührt.
Wird ein rotierbarer Messtisch einer Drehvorrichtung oder Rotor einer Drehvorrichtung als Referenzeinrichtung verwendet, oder wird eine auf einem Messtisch oder Rotor angebrachte Referenzeinrichtung verwendet, dann wird dieser Rotor oder Messtisch relativ zu dem Messsensor in der Regel verdreht, nämlich wenn die Drehvorrichtung in Betrieb ist. Bei gleichbleibender Messrichtung des Messsensors wird durch die Drehung eine Änderung der Referenzeinrichtung erfolgen, sofern der Messtisch oder Rotor nicht völlig kreissymmetrisch oder frei von jeglicher Exzentrizität ist. Durch eine Abweichung von einer perfekten Kreissymmetrie und/oder einer Exzentrizität zur Drehachse kann sich ein Fehler ergeben, wenn ein Abstand zwischen Messsensor und Referenzeinrichtung ermittelt wird oder wenn eine Position des Messsensors bei Berührung der Referenzeinrichtung ermittelt wird. Ein solcher Fehler entspricht nicht dem Messfehler und ist nicht dem Messfehler zuzurechnen ist, der im erfindungsgemäßen Verfahren ermittelt werden soll. Insofern wird durch eine nicht perfekte Kreissymmetrie oder eine Exzentrizität des rotierbaren Messtisches einer Drehvorrichtung oder eines Rotors einer Drehvorrichtung die Fehlerermittlung verfälscht, wenn der rotierbare Messtisch oder der Rotor als Referenzeinrichtung verwendet wird, oder eine darauf angeordnete Referenzeinrichtung verwendet wird. Dieses Problem kann auf eine der beiden folgenden Arten gelöst werden:
In einer Variante wird bei dem Ermitteln des Messfehlers in Schritt c) die gleiche Drehposition des rotierbaren Messtisches eingestellt wie in den Schritten a) und b). Hierdurch gehen Fehler in der Symmetrie und/oder Exzentrizität nicht in das Ergebnis ein.
In einer weiteren Variante wird eine Formabweichung des rotierbaren Messtisches von einer kreissymmetrischen Form ermittelt und/oder eine Exzentrizität des rotierbaren Messtisches ermittelt. Genannte Formabweichung und/oder Exzentrizität kann anschließend bei Schritt c) des Ermittelns des Messfehlers berücksichtigt werden. Einer Formabweichung und/oder Exzentrizität kann dazu führen, dass beispielsweise ein Abstand zwischen Messsensor und Referenzeinrichtung, insbesondere Seitenfläche des rotierbaren Messtisches, verringert oder vergrößert wird, wenn der Messtisch gedreht wird. Durch das Ermitteln einer Formabweichung oder einer Exzentrizität wird diese Abstandsänderung bekannt und vorhersehbar, da es sich um einen systematischen Fehler handelt. Beispielsweise kann die Formabweichung von der idealen Kreisform winkelabhängig bestimmt werden, bei beliebiger Auflösung des Winkels. Wird ein bestimmter Drehwinkel des rotierbaren Messtisches eingestellt bzw. der rotierbare Messtisch um einen bestimmten Drehwinkel gegenüber dem Messsensor verdreht, ist die winkelabhängige Formabweichung oder Exzentrizität bekannt und kann bei Schritt c) berücksichtigt werden. Insbesondere kann dieser Fehler von dem eigentlich zu ermittelnden Messfehler, der beispielsweise auf eine Nullpunktsdrift oder eine Änderung des Tastervektors zurückzuführen ist, separiert werden.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Drehvorrichtung, aufweisend

– einen um eine Drehachse rotierbaren Messtisch und
– eine Referenzeinrichtung mit einem Körper aus einem temperaturinvarianten Material, der vorzugsweise den rotierbaren Messtisch nach außen überragt, und der an einem außenseitigen Ende antastbar ist,

Mit genannter Drehvorrichtung sind Verfahren gemäß der Erfindung durchführbar. Die Messung einer Drift in einer bestimmten Messrichtung erfolgt idealerweise im Zentrum einer Drehachse. Grund hierfür ist beispielsweise die Temperaturausdehnung des Messtisches entlang der Strecke zwischen Drehtischmitte und einem gewählten Fixpunkt der Referenzeinrichtung. Eine Antastung im Drehtischzentrum ist jedoch in der Regel nicht möglich, da der Drehtisch keine Apertur hat oder sich ein Werkstück auf dem Drehtisch befindet. Dieses Problem wird mit vorangehend genannter Drehvorrichtung gelöst. Insbesondere kann am Stator der Drehvorrichtung ein temperaturstabiler Stab befestigt sein, der eine antastbare Planfläche am Ende aufweist. Insbesondere überragt der Stab den rotierbaren Messtisch, insbesondere eine Planscheibe, der Drehvorrichtung. Eine Antastung am Ende eines temperaturstabilen Stabs entspricht dann in optimaler Weise einer durchgeführten Antastung im Drehtischzentrum, wobei der Abstand zwischen Ende des temperaturstabilen Stabs und Drehtischzentrum zu berücksichtigen ist. Dieser Abstand ist jedoch aufgrund der Temperaturinvarianz des Stabs konstant oder im Wesentlichen konstant.
Vorzugsweise erstreckt sich der Körper in das Innere des Drehtisches in Richtung der Drehachse. Insbesondere weist der Körper ein innenseitiges Ende auf, das in Richtung der Drehachse weist.
Durch die Orientierung des Körpers aus temperaturinvariantem Material wird die Messrichtung, insbesondere eine Antastrichtung an einem Werkstück, festgelegt. Flexibilität bei der Messrichtung kann erreicht werden durch eine oder mehrere der folgenden Maßnahmen:

– Mehrere Kopplungsstellen am Stator, durch welche verschiedene Orientierungen des Körpers aus temperaturinvariantem Material hergestellt werden können. Beispiele hierfür sind mehrere Anschraubstellen oder magnetische Halterungen.
– Eine drehbare Halterung für den Körper aus temperaturinvariantem Material an einem Stator der Drehvorrichtung.

Alternativ kann an einem äußeren Ende des Körpers aus temperaturinvariantem Material ein parallel zur Drehtischachse orientierter Zylinder oder eine Kugel befestigt sein. Hierdurch wird die Messrichtung frei wählbar.
In einem weiteren Aspekt trifft die Erfindung ein Koordinatenmessgerät, aufweisend eine vorangehend beschriebene Drehvorrichtung. Das Koordinatenmessgerät ist insbesondere ein Portal-Koordinatenmessgerät. Das Koordinatenmessgerät kann einen taktilen oder einen optischen Messsensor aufweisen.
Nachfolgend wird die Anmeldung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigen:
1a das Antasten eines Werkstücks auf einen Drehtisch in Messrichtung und eine neben dem Drehtisch positionierte Referenzeinrichtung, in einer seitlichen Ansicht,
1b den Aufbau aus 1a in einer Ansicht von oben,
2 eine Drehvorrichtung, an welcher eine Referenzeinrichtung mit einem Körper aus einem temperaturinvariantem Material angebracht ist,
3 ein Koordinatenmessgerät, in dessen Messbereich eine Drehvorrichtung nach 2 angeordnet ist und
4 erfindungsgemäße Verfahrensabläufe in verschiedenen Varianten.
1a und 1b zeigen den Drehtisch 1 mit dem Stator 2 und dem rotierbaren Messtisch 3, auch bezeichnet als Planscheibe. Der rotierbare Messtisch 3 ist um die Drehachse D rotierbar. Das Werkstück 4 ist auf dem Messtisch 3 positioniert und ebenfalls um die Drehachse D drehbar.
In der Ansicht von 1a wird das Werkstück 4 in einer Messrichtung M, die in diesem Beispiel senkrecht zur Drehachse D ist, angetastet. Verwendet wird hierzu ein taktiler Messsensor 5. Der taktile Messsensor 5 weist das Ansatzstück 6, den Taststift 7, der ein abgewinkelter Taststift ist, und das Tastelement 8, in diesem Fall eine Tastkugel, auf. Ansatzstück 6, Taststift 7 und Tastelement 8 bilden ein Tastersystem.
1a zeigt einen typischen Vorgang bei einer Messung des Durchmessers d des Werkstücks 4. Der Durchmesser d wird bestimmt, indem zunächst das Werkstück 4 in der in 1a gezeigten Drehposition angetastet wird. Anschließend wird der Messsensor 5 etwas vom Werkstück 4 entfernt, das Werkstück 4 um 180° um die Drehachse D gedreht und anschließend der Antastvorgang wiederholt. Dies stellt eine einfache Variante der Vermessung des Werkstücks 4 dar. Bevorzugter ist es, dass der Taststift bzw. das Tastelement 8 angetastet bleibt und aus einer Vielzahl von Messwerten, bei Drehung des Werkstücks 4, der Durchmesser durch eine Ausgleichsrechnung ermittelt wird.
Der Drehtisch 1 ist auf einem Messtisch 201 eines Koordinatenmessgeräts positioniert. Neben dem Drehtisch 1 ist auf dem Messtisch 201 des KMG die Referenzeinrichtung 9 positioniert. Die Referenzeinrichtung 9 ist möglichst nahe am Drehtisch 1 befestigt. Die Referenzeinrichtung 9 weist den Halter 10 und den daran befestigten Abstandssensor 11 auf. Der Abstandssensor 11 ist in die Messrichtung M, welche der Antastrichtung des Messsensors 5 entspricht, orientiert. D.h., der Messstrahl des Abstandssensors 11 misst in Messrichtung M oder entgegen der Messrichtung M. Ob der Messstrahl des Abstandssensors 11 in Messrichtung M oder entgegen der Messrichtung M misst, ist zur Messung eines Abstands in Messrichtung M unerheblich.
Gezeigt ist in 1a eine alternative Position des Tastelements 8 in gestrichelter Darstellung. Hierbei ist der Messsensor 5 und damit das Tastelement 8 in einem Abstand zu der Referenzeinrichtung 9 und damit in einem Abstand zu dem Abstandssensor 11 positioniert. Hierbei kann der Abstand A zwischen Abstandssensor 11 als Teil der Referenzeinrichtung 9 und dem Tastelement 8 als Teil des Messsensors 5 ermittelt werden. Der Schritt der Abstandsmessung A wird nachfolgend anhand der Verfahrens der 4 noch näher erläutert.
Es ist vorteilhaft, wenn der Abstandssensor 11 in etwa auf der Messhöhe positioniert ist, die in 1a an dem Werkstück 4 gezeigt ist.
Als Abstandssensor kann beispielsweise ein berührungslos arbeitender Abstandssensor, z.B. ein Mehrwellen-Laserinterferometer oder ein Induktivtaster infrage kommen.
Es ist nicht zwingend erforderlich, dass in 1a der Abstand A zwischen dem Abstandssensor 11 und dem Tastelement 8 ermittelt wird. Es kann beispielsweise auch der Abstand zu dem Taststift 7 ermittelt werden, wobei bei wiederholter Abstandsmessung der Messsensor 5 in die gleiche Position im Gerätekoordinatensystem eines KMG verfahren wird.
In 1a ist noch eine alternative Verwendung der Referenzeinrichtung 9 bzw. eine andere Art der Referenzeinrichtung 9 gezeigt. Der plattenförmige Halter 10, dessen Höhe in 1a und dessen Breite in 1b dargestellt ist, weist die Fläche 12 auf, welche die Normale N aufweist. Die Normale N ist parallel zu der Messrichtung M orientiert. Alternativ zu der eben erläuterten Positionierung des Tastelements 8 in einem Abstand A zu der Referenzeinrichtung 9 kann das Tastelement 8 so positioniert werden, dass es die Referenzeinrichtung 9 an der Fläche 12 berührt. Bei Berührung kann die Position des Messsensors 5 bzw. des Tastelements 8 ermittelt werden. Die weitere verfahrensmäßige Bedeutung wird anhand von 4 erläutert.
In 1a ist eine weitere Variante einer Referenzeinrichtung gezeigt. In dieser weiteren Variante wird der rotierbare Messtisch 3 bzw. im Speziellen dessen Mantelfläche 13 als Referenzeinrichtung verwendet. Gezeigt ist in 1a eine weitere Positionierung des Tastelements 8 gemäß dieser Variante. Das Tastelement 8 berührt die Mantelfläche 13 des rotierbaren Messtisches 3. Die Verwendung des rotationssymmetrischen rotierbaren Messtisches 3 als Referenzeinrichtung hat den Vorteil, dass die Messrichtung M, also die Antastrichtung, beliebig geändert werden kann, ohne dass ein Umbau der Referenzeinrichtung erfolgen muss. Eine Formabweichung oder Exzentrizität des rotierbaren Messtisches 3 kann ermittelt und gegebenenfalls rechnerisch korrigiert werden, wie nachfolgend und im allgemeinen Teil dieser Beschreibung beschrieben. Auf diese Variante wird ebenfalls später bei der Beschreibung eines Verfahrensbeispiels noch eingegangen.
1b zeigt eine Draufsicht auf den Aufbau der 1a, wobei die Bezugszeichen identisch gewählt sind. In 1b sind nicht alle in 1a dargestellten Positionen des Tastelements 8 gezeigt.
2 zeigt eine alternative Drehvorrichtung 14 mit einer weiteren Ausgestaltung eines Referenzelements 15. Der Drehtisch 14 weist ebenfalls einen rotierbaren Messtisch 3 und einen Stator 2 auf, deren Bezugszeichen identisch zu 1a, 1b gewählt sind.
Die Referenzeinrichtung 15 besteht aus einem Stab aus temperaturinvariantem Material, dessen Längsachse in Messrichtung M orientiert ist. Der Stab 16 ist an dem Stator 2 angebracht und erstreckt sich in das Innere des Stators 2 bis nahe zur Drehachse D, alternativ auch bis zur Drehachse D. Mit dieser Ausführungsform wird der Vorteil erzielt, dass eine Ermittlung eines Messfehlers, insbesondere einer Nullpunktsdrift, im Zentrum oder nahe beim dem Zentrum der Drehachse D erfolgen kann, da der temperaturinvariante Körper 16 sich bis zur oder bis nahe bei der Drehachse erstreckt.
Der Stab 16 überragt den rotierbaren Messtisch 3 in Querrichtung und ist dadurch an seinem außenseitigen Ende 17 in Messrichtung M antastbar. Dass der Stab 16 den Messtisch 13 in Querrichtung überragt, ist nicht unbedingt zwingend, da ein entsprechend abgewinkelter Taster 7, wie hier gezeigt, verwendet werden kann, aber vorteilhaft, weil dadurch die Tasterform weniger beschränkt ist und beispielsweise ein nicht abgewinkelter Taster verwendet werden kann.
Alternativ zu der hier gezeigten Ausführungsform kann an dem Ende 17 eine Kugel oder ein Zylinder angebracht sein, wodurch die Antastrichtung M leichter veränderbar ist. In einer weiteren hier nicht gezeigten Variante weist der Stator 2 mehrere Kopplungsstellen auf, in denen der Stab 16 in alternativen Positionen und in alternativen Richtungen angekoppelt werden kann. Denkbar sind beispielsweise mehrere Anschraub- oder Einsteckstellen an dem Stator 2, eine magnetische Halterung oder eine drehbare Stabhalterung, mit welcher der Stab 16 in eine beliebige Winkelposition gedreht werden kann und damit die Antastrichtung M in eine beliebige Position eingestellt werden kann.
Das in 3 dargestellte Koordinatenmessgerät (KMG) 211 in Portalbauweise weist einen Messtisch 201 auf, über der Säulen 202, 203 in Y-Richtung eines kartesischen Koordinatensystems beweglich angeordnet sind. Die Säulen 202, 203 bilden zusammen mit einem Querträger 204 ein Portal des KMG 211. Der Querträger 204 ist an seinen gegenüberliegenden Enden mit den Säulen 202 bzw. 203 verbunden. Nicht näher dargestellte Elektromotoren verursachen die Linearbewegung der Säulen 202, 203 in Y-Richtung, entlang der Y-Bewegungs-Achse. Dabei ist z. B. jeder der beiden Säulen 202, 203 ein Elektromotor zugeordnet. Der Querträger 204 ist mit einem Querschlitten 207 kombiniert, welcher luftgelagert entlang dem Querträger 204 in X-Richtung des kartesischen Koordinatensystems beweglich ist. Die momentane Position des Querschlittens 207 relativ zu dem Querträger 204 kann anhand einer Maßstabsteilung 206 festgestellt werden. Die Bewegung des Querträgers 204 in X-Richtung, d.h. entlang der X-Bewegungs-Achse, wird durch einen weiteren Elektromotor angetrieben. An dem Querschlitten 207 ist eine in vertikaler Richtung bewegliche Pinole 208 gelagert, die an ihrem unteren Ende über eine Montageeinrichtung 210 und eine Drehvorrichtung 205 mit dem Messkopf 209 verbunden ist. An den Messkopf 209 ist das Ansatzstück 6 angekoppelt, das bereits in 1a dargestellt ist, und an dem der gewinkelte Taststift 7 mit Tastkugel 8 angebracht ist. Der Messkopf 209 kann angetrieben durch einen weiteren Elektromotor relativ zu dem Querschlitten 207 in Z-Richtung, entlang der Z-Bewegungs-Achse, des kartesischen Koordinatensystems bewegt werden. Durch die Elektromotoren des KMG kann der Messkopf 209 in dem Bereich unterhalb des Querträgers 204 in nahezu beliebige Positionen bewegt werden. Ferner kann die Drehvorrichtung 205 den Messkopf 209 um die Z-Achse drehen, sodass der Taststift 7 in unterschiedliche Richtungen ausgerichtet werden kann. Nicht dargestellt ist eine Steuerung, die die Bewegung der beweglichen Teile des KMG entlang der Bewegungs-Achsen steuert.
Auf dem Messtisch 201 des Koordinatenmessgeräts 211 ist der in 2 gezeigte Drehtisch 14 positioniert. Es ist selbstverständlich, dass jeder weitere hierin gezeigte und beschriebene Drehtisch 1, und jede Referenzeinrichtung 9 auf dem Koordinatenmessgerät 211 bzw. dessen Messtisch 201 angeordnet werden kann.
Erfindungsgemäße Verfahren sind in 4 anhand des Aufbaus der 1a erläutert. In 4 sind alternative erfindungsgemäße Verfahrensabläufe dargestellt. In Schritt S1 erfolgt das Positionieren des Messsensors 5 relativ zu der Referenzeinrichtung 9. Bei Schritt S1 sind zwei Alternativen möglich. Entweder wird der Messsensor 5 in einem Abstand A, der in Messrichtung M ermittelt wird, positioniert. Dies ist in 1a ganz rechts gezeigt, wo das Tastelement 8 des Messsensors 5 in dem Abstand A in Messrichtung M zu dem Abstandssensor 11 positioniert ist. Alternativ dazu wird der Messsensor 5 derart positioniert, dass er die Referenzeinrichtung 9 berührt. Dies ist in 1a anhand zweier Varianten dargestellt. In einer ersten Variante berührt das Tastelement 8 des Messsensors 5 die Fläche 12 an der Referenzeinrichtung 9. In einer zweiten Variante berührt das Tastelement 8 die Mantelfläche 13 des rotierbaren Messtisches 3, wobei der Messtisch 3 in diesem Fall die Referenzeinrichtung ist.
Im nächsten Verfahrensschritt S2 wird der Abstand A ermittelt oder es wird die Position des Messsensors 5, hier im Speziellen der Tastkugel 8 bzw. des Mittelpunkts der Tastkugel 8 ermittelt, wenn die Berührung an der Fläche 12 oder der Mantelfläche 13 erfolgt. Diese Position wird im Gerätekoordinatensystem des KMG ermittelt.
In Schritt S3 wird zunächst der oben erläuterte Schritt S1 in einer der dargestellten Alternativen/Varianten wiederholt. In der ersten Alternative wird das Tastelement 8 erneut in einem Abstand zu der Referenzeinrichtung 9 und deren Abstandssensor 11 positioniert. Das Tastelement 8 wird so positioniert, dass die gleiche Position in einem zugrunde gelegten Koordinatensystem eingestellt wird, wie bei erstmaliger Durchführung dieses Schrittes, beispielsweise ein unveränderte Position in dem Gerätekoordinatensystem des KMG. Anschließend wird der Abstand zwischen Tastelement 8 und Abstandssensor 11 ermittelt. Hier können zwei Ergebnisse auftreten. Entweder ist der Abstand unverändert und entspricht dem Abstand A aus der erstmaligen Durchführung der Abstandsmessung oder der Abstand ist verändert (verringert oder vergrößert) und entspricht dem neuen Abstand A‘. In diesem Fall entspricht eine Differenz zwischen A und A‘ einem Messfehler, der beispielsweise auf eine Nullpunktsdrift oder auf eine Änderung des Tastervektors zurückzuführen ist. In 1a ist beispielhaft eine Änderung des Tastervektors dargestellt, resultierend aus einer Abflachung 20 der Tastkugel 8, beispielsweise durch Verschleiß hervorgerufen. Diese in Antastrichtung M vorhandene Abflachung, die über die Zeit durch Verschleiß entstanden ist, führt dazu, dass der Abstand zwischen dem Abstandssensor 11 und dem Tastelement 8 vergrößert wird und somit ein veränderter Abstand A‘ größer ist als der ursprüngliche Abstand A. Entsprechend umgekehrt wären die Verhältnisse bei einer Materialauftragung auf die Tastkugel 8.
In der anderen Alternative wird der Messsensor 5 erneut in Antastrichtung M bewegt, bis er die Fläche 12 oder die Mantelfläche 13 berührt. Anschließend wird die Position des Messsensors bestimmt. Entweder ist die Position des Messsensors, insbesondere des Mittelpunkts der Tastkugel 8, bei erneuter Berührung die gleiche wie bei vorheriger Berührung. In diesem Fall beträgt der Messfehler Null. Oder es ergibt sich bei erneuter Berührung eine veränderte Position. Aus der Positionsänderung wird dann ein Messfehler erhalten, der beispielsweise auf eine Nullpunktsdrift oder eine Änderung des Tastervektors zurückzuführen ist. Die Positionsbestimmung kann vorzugsweise in einem Gerätekoordinatensystem des KMG erfolgen.
Weiterhin ist in 4 der Schritt des Vermessens des Werkstücks in der Messrichtung M gezeigt, der in 1a anhand der Antastung des Werkstücks 4 dargestellt ist. Dieser Schritt wird mit S4 bezeichnet. Der Schritt S4 kann in den bisher beschriebenen Verfahrensablauf zur Fehlermessung an verschiedenen Stellen integriert sein. Alternativen sind in 4 dargestellt. In einer Alternative werden zunächst die Schritte S1 und S2 durchgeführt und anschließend eine Werkstückmessung S4 durchgeführt, beispielsweise in kurzem zeitlichem Abstand nach den Schritten S1 und S2. Zu einem späteren Zeitpunkt, wenn beispielsweise eine Nullpunktsdrift aufgrund Zeitfortschritts oder Temperaturfortschritts anzunehmen ist, wird Schritt S3 durchgeführt, um einen Messfehler zu ermitteln. Ist dieser Messfehler bekannt, kann in einem erneuten Schritt S4 das Werkstück erneut vermessen werden, beispielsweise in einer anderen Drehposition des Drehtisches 1. Dieses erneute Vermessen wird mit S4₂ bezeichnet. Der in Schritt S3 ermittelte Messfehler kann zur rechnerischen Korrektur eines Messwertes verwendet werden, der in Schritt S4₂ erhalten wird, was mit dem Schritt S5 bezeichnet ist. Anschließend kann eine Abfolge aus Fehlerermittlung, Messung des Werkstücks und Korrektur beliebig fortgeführt werden, bezeichnet mit S3₂ für eine erneute Fehlerermittlung, S4₃ für ein erneutes Vermessen und S5₂ für eine erneute Korrektur.
In 4 ist noch eine weitere Zusatzvariante dargestellt, die mit S6 bezeichnet ist. Hierin wird in einer speziellen Verfahrensvariante der rotierbare Messtisch 3 des in 1a gezeigten Drehtisches 1 als Referenzeinrichtung verwendet, was in 1a durch das Antasten des Tastelements 8 an der Mantelfläche 13 gezeigt ist. Der rotierbare Messtisch 3 hat die Eigenart, dass er Formabweichungen von einer idealen Kreisform und/oder eine Exzentrizität aufweisen kann. Im konkreten Beispiel beträgt der Abstand von der Drehachse D nach rechts zu der Mantelfläche 13, der mit a1 bezeichnet ist, anders (größer oder kleiner) als der Abstand a2 von der Drehachse nach links bis zur Mantelfläche 13. Weitere Abweichungen können in anderen, hier nicht dargestellten Richtungen auftreten. Wenn man den Drehtisch 3 um 180° gegenüber der in 1a gezeigten Position verdreht und dann erneut mit der Tastkugel 8 in einer Position wie gezeigt antastet, ergibt sich durch die Abweichung von a1 zu a2 ein Fehler in der zugrunde gelegten Referenzeinrichtung, die der Drehteller 3 ist. Dieser Fehler würde die Fehlerermittlung in einem der Schritte S3, S3₂ verfälschen, da ein Fehler der Referenzeinrichtung in die Fehlerermittlung eingehen würde. Daher wird in dem Schritt S6 zunächst die Formabweichung und/oder Exzentrizität des Drehtellers 3 bestimmt, in dem konkreten Beispiel der Unterschied zwischen a1 und a2, und diese Formabweichung wird bei der Ermittlung des Messfehlers S3 und S3₂ berücksichtigt. Der zunächst erhaltene Wert für den Messfehler wird um den nicht zu berücksichtigenden Fehler der zugrunde gelegten Referenzeinrichtung 3 korrigiert, um so isoliert den Fehler zu erhalten, der bestimmt werden soll, insbesondere eine Nullpunktsdrift oder eine Änderung des Tastervektors. Bei dem Ermitteln der Formabweichung im Schritt S6 kann bei beliebig kleiner Auflösung des Drehwinkels des Drehtisches 3 in jeder Winkelposition der Unterschied von a1 zu a2 ermittelt werden. Abhängig vom Drehwinkel des Drehtellers 3 beim Antasten mit dem Tastelement 8 kann der Unterschied von a1 zu a2 winkelabhängig berücksichtigt werden.
In das oben beschriebene Verfahren können weitere Schritte integriert werden, die in der 4 gezeigt sind und nachfolgend erläutert werden:
Schritt S7:
Bewerten des in Schritt S3 oder S3₂ ermittelten Messfehlers bzw. der Größe des Messfehlers mit der einer Steuerung oder einem Messrechner (nicht dargestellt) des KMG 211 durch eine Software, die in der Steuerung oder dem Messrechner hinterlegt ist. Schritt S7 erfolgt vorzugsweise nach Schritt S3 oder S3₂, wie in 4 gezeigt. Es wird bei der Bewertung des Messfehlers der Messfehler mit einem Grenzwert verglichen, auch bezeichnet als Fehlergrenzwert oder Toleranzwert. Bei Erreichen oder Überschreiten des Grenzwertes werden einer oder mehrere der erwähnten Schritte durchgeführt:
Schritt S8:
Ausgabe einer Warnung, beispielsweise auf einem Display und/oder akustisch, durch die Software der Steuerung oder des Messrechners. Hierdurch werden das KMG 211 oder der Benutzer zu weiteren Handlungen veranlasst werden, beispielsweise zum Beheben des Fehlers, zur erneuten Bestimmung der Pose einer Drehachse in einem Gerätekoordinatensystem oder zur Berücksichtigung des Fehlers in einem Messbetrieb (Schritt S5). Schritt S8 wird vorzugsweise nach Schritt S7 durchgeführt.
Schritt S9:
Beheben des Fehlers durch erneutes Bestimmen und/oder Neusetzen des Nullpunkts des Gerätekoordinatensystems des KMG 211. Schritt S9 wird vorzugsweise nach Schritt S7 und vor oder nach Schritt S4₂ oder S4₃, wie hier gezeigt, durchgeführt. Erfolgt Schritt S9 nach S4₂ oder S4₃, kann Schritt S5 oder S5₂ entfallen, da der Fehler idealerweise bereits behoben ist und nicht noch korrigiert werden muss. Dies ist mit einer gestrichelten Linie vor S5₂ angedeutet.
Schritt S10:
Berücksichtigen des Fehlers in einem Messbetrieb des Koordinatenmessgeräts 211, bei Vermessen des Werkstücks 4. Hier sind verschiedene Varianten möglich. Zum einen kann ein bekannter Fehler Messdaten als Information beigegeben werden. Mehr bevorzugt ist das Korrigieren eines Messwerts aus dem Vermessen des Werkstücks (4) um den ermittelten Messfehler, wie oben unter Schritt S5 beschrieben. In diesem Fall ist S5 eine spezielle Variante des Schrittes S10. In allgemeinerer Variante könnte Schritt S5 in 4 auch mit S10 bezeichnet werden, was in der Darstellung in 4 mit einem in Klammern gesetzten Schritt S10 unter S5 gezeigt ist.
Schritt S11:
In diesem Schritt erfolgt ein Bestimmen oder erneutes Bestimmen der Pose der Drehachse D der Drehvorrichtung 1 in einem Gerätekoordinatensystem des Koordinatenmessgeräts 211. Schritt S11 folgt vorzugsweise auf Schritt S7 oder S8. Es kann in Schritt S8 eine Warnung ausgegeben werden die darauf hinweist, dass die Pose der Drehtischachse D neu einzumessen ist, also die Pose im Gerätekoordinatensystem des KMG 211 neu zu bestimmen ist. Daraufhin erfolgt Schritt S11. Die Pose der Drehtischachse D kann mit einem Verfahren bestimmt werden, das in US2015052768 A1 beschrieben ist. Beispiele sind, ohne Beschränkung, die dort genannte 1-Kugel-Methode, die 2-Kugel-Methode, die Prüfzylinder-Methode und die selbstzentrierende Methode.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2013164344 A1 [0007]
US 2015052768 A1 [0007, 0086]
DE 102012207336 A1 [0008]

Claims

Verfahren zur Ermittlung eines Messfehlers bei einem Koordinatenmessgerät (211), das einen beweglichen Messsensor (5) und eine translatorisch ortsfeste Referenzeinrichtung (9; 3, 13; 15) aufweist, wobei das Verfahren aufweist: a) Positionieren (S1) des Messsensors (5) relativ zu der Referenzeinrichtung (9; 3, 13; 15) in einer Messrichtung (M), die einer Messrichtung zum Vermessen eines Werkstücks (4) mit dem Messsensor (5) entspricht, wobei i) der Messsensor in einer Position des Messsensors in einem Koordinatensystem in einem Abstand (A) in Messrichtung (M) zu der Referenzeinrichtung (9) positioniert wird oder ii) der Messsensor (5) derart positioniert wird, dass er die Referenzeinrichtung (9; 3, 13; 15) berührt, b) Ermitteln (S2) des Abstands (A) zwischen dem Messsensor und der Referenzeinrichtung (9), oder Ermitteln der Position des Messsensors (5) wenn der Messsensor die Referenzeinrichtung (9; 3, 13; 15) berührt, c) Wiederholen (S3) der Folge der Schritte a) und b), wobei im Fall von a)–i) die gleiche Position des Messsensors in dem Koordinatensystem hergestellt wird, und i) Ermitteln eines unveränderten Abstands oder einer Änderung des Abstands zwischen Messsensor (5) und Referenzeinrichtung (9), und damit Ermitteln eines Messfehlers in der Messrichtung (M), oder ii) Ermitteln, bei Berührung der Referenzeinrichtung, einer unveränderten oder einer veränderten Position des Messsensors (5) und damit Ermitteln eines Messfehlers in der Messrichtung(M).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Referenzeinrichtung (9) zumindest eine Fläche (12) aufweist, welche eine Normale (N) aufweist, die in oder parallel zu der Messrichtung orientiert ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Referenzeinrichtung mehrere Flächen aufweist, deren Normalen in verschiedene Richtungen orientiert sind, sodass mit den Normalen verschiedene Messrichtungen darstellbar sind.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Referenzeinrichtung (9) einen Abstandssensor (11) aufweist, mit dem der Abstand zwischen dem Messsensor (5) und der Referenzeinrichtung (9) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Referenzeinrichtung (15) einen Körper (16) aus einem thermisch invarianten Material aufweist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, aufweisend einen oder mehrere der folgenden Schritte, in beliebiger Kombination: – Bewerten (S7) des Fehlers, – Erzeugen einer Fehlerwarnung (S8), – Beheben (S9) des Fehlers, – Berücksichtigen (S10) des Fehlers in einem Messbetrieb des Koordinatenmessgeräts (211) – Bestimmen oder erneutes Bestimmen (S11) der Pose einer Drehachse (D) einer Drehvorrichtung (1) in einem Gerätekoordinatensystem des Koordinatenmessgeräts (211).
Verfahren zum Vermessen eines Werkstücks mit einem Koordinatenmessgerät (211), aufweisend – Ermitteln eines Messfehlers bei einem Koordinatenmessgerät (211), das einen beweglichen Messsensor (5) und eine translatorisch ortsfeste Referenzeinrichtung (9; 3, 13; 15) aufweist, aufweisend: a) Positionieren (S1) des Messsensors (5) relativ zu der Referenzeinrichtung (9; 3, 13; 15) in einer Messrichtung (M), die einer Messrichtung zum Vermessen eines Werkstücks (4) mit dem Messsensor (5) entspricht, wobei i) der Messsensor (5) in einer Position des Messsensors in einem Koordinatensystem in einem Abstand (A) in Messrichtung M zu der Referenzeinrichtung (9) positioniert wird oder ii) der Messsensor (5) derart positioniert wird, dass er die Referenzeinrichtung (9; 3, 13; 15) berührt, b) Ermitteln (S2) des Abstands (A) zwischen dem Messsensor und der Referenzeinrichtung (9), oder Ermitteln der Position des Messsensors (5) wenn der Messsensor die Referenzeinrichtung (9; 3, 13; 15) berührt, c) Wiederholen (S3) der Folge der Schritte a) und b), einfach oder mehrfach, wobei im Fall von a)–i) die gleiche Position des Messsensors in dem Koordinatensystem hergestellt wird, und i) Ermitteln eines unveränderten Abstands oder einer Änderung des Abstands zwischen Messsensor (5) und Referenzeinrichtung (9), und damit Ermitteln eines Messfehlers in der Messrichtung (M), oder ii) Ermitteln, bei Berührung der Referenzeinrichtung, einer unveränderten oder einer veränderten Position des Messsensors (5) und damit Ermitteln eines Messfehlers in der Messrichtung (M), – Vermessen eines Werkstücks (4) in der Messrichtung (M).
Verfahren nach Anspruch 7, aufweisend das Korrigieren (S5) eines Messwerts aus dem Vermessen des Werkstücks (4) um den ermittelten Messfehler.
Verfahren nach einem Ansprüche 7 oder 8, wobei das Werkstück (4) auf einer Drehvorrichtung (1; 14) positioniert ist.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Vermessen des Werkstücks (4) in verschiedenen Drehpositionen der Drehvorrichtung (1; 14) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei bei dem Vermessen ein Durchmesser (d) des Werkstücks (4) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9–11, wobei die Referenzeinrichtung ein rotierbarer Messtisch (3) der Drehvorrichtung (1) ist oder die Referenzeinrichtung an dem rotierbaren Messtisch angebracht und mit diesem drehbeweglich ist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei bei dem Ermitteln des Messfehlers in Schritt c) die gleiche Drehposition des rotierbaren Messtisches (3) eingestellt wird wie in den Schritten a) und b).
Verfahren nach Anspruch 13, aufweisend das Ermitteln (S6) einer Formabweichung des rotierbaren Messtisches (3) von einer kreissymmetrischen Form und/oder einer Exzentrizität des rotierbaren Messtisches (3) und das Berücksichtigen der Formabweichung und/oder der Exzentrizität bei dem Ermitteln des Messfehlers.
Drehvorrichtung (14), aufweisend – einen um eine Drehachse rotierbaren Messtisch (3) und – eine Referenzeinrichtung mit einem Körper aus einem temperaturinvarianten Material, der vorzugsweise den rotierbaren Messtisch (3) nach außen überragt, und der an einem außenseitigen Ende antastbar ist, wobei die Referenzeinrichtung (15) an der Drehvorrichtung (14) angebracht ist oder an die Drehvorrichtung gekoppelt ist.
Drehvorrichtung (14) nach Anspruch 15, wobei die Referenzeinrichtung (15) an einem Stator (2) der Drehvorrichtung (14) angebracht oder angekoppelt ist.
Drehvorrichtung (14) nach einem der Ansprüche 15 oder 16, wobei der Körper (16) sich in das Innere des Drehtisches in Richtung der Drehachse (D) erstreckt.
Koordinatenmessgerät (211), aufweisend eine Drehvorrichtung (14) nach einem der Ansprüche 15–17.